[发明专利]一种二氧化钛微球阵列负载铂可见光光催化剂及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及二氧化钛光催化领域，特别涉及二氧化钛微球阵列负载铂可见光光催化剂制备及其应用领域。该方法制备出的催化剂特别适用于可见光照射下催化降解有机染料（如：罗丹明B），达到很高的降解率。

背景技术

随着现代工业的快速发展，含有有毒、致癌有机物的废水大量排放，对环境的污染程度逐年增加，这些有害有机物严重威胁着人类健康。这类废水的处理技术成为当前研究的热点。光催化以半导体为催化剂，利用太阳光降解水和空气中的各种污染物或者分解水获取氢能，被视为一种理想的环境污染净化技术和洁净能源生产技术，其研究受到了日益广泛的重视。目前，在多相光催化反应所应用的半导体催化剂中，TiO₂以其无毒、成本低、稳定性好以及强的氧化还原能力等优点备受青睐。但是，由于TiO₂的禁带（3.2eV）较宽，光吸收仅局限于紫外区，可利用的太阳能尚达不到照射到地面的太阳光谱的5%，而且TiO₂光生电子-空穴对复合率高，导致光催化量子效率较低（不高于20%），因此太阳能的利用效率仅在1%左右，大大限制了对太阳能的利用。为了提高对太阳能的利用率，开展高活性纳米TiO2的制备及提高TiO₂的光催化效率成为研究的热点。

目前文献中报道的提高二氧化钛光催化活性的途径有两种，一是通过掺杂降低TiO₂的禁带宽度，掺杂能提高它对可见光的吸收，常用的掺杂物有S、C、N、I和过渡金属等；另一种是通过改变TiO₂的表面结构（如贵金属沉积）。贵金属在半导体表面的沉积可以采用普通的浸渍还原法和光还原法：浸渍还原法是将半导体颗粒浸渍在含有贵金属盐的溶液中，然后将浸渍颗粒在惰性气体保护下用氢气高温还原；光还原法是将半导体浸渍在贵金属盐和牺牲有机物(自由基受体，如乙酸、甲醇等)的溶液中，然后在紫外光照射下，贵金属被还原而沉积在半导体表面上。沉积贵金属的功函数高于TiO₂的功函数，当两种材料联结在一起时，电子就会不断地从TiO₂向沉积金属迁移，一直到二者的Fermi能级相等为止。在两者接触之后形成的空间电荷层中，金属表面将获得多余的负电荷，TiO₂表面上负电荷完全消失，从而大大提高光生电子输送到溶解氧的速率。这样，半导体的能带就将向上弯向表面生成损耗层，在金属-TiO₂界面上形成能俘获电子的浅势阱Schottky能垒，进一步抑制光生电子和空穴的复合。已见报道的贵金属主要包括VIII簇的Pt、Ag、Ir、Au、Ru、Pd、Rh等，其中有关Pt的报道最多，效果也最好。

本发明结合前人的工作，将模板法与浸渍氢气还原的方法结合起来，制备了一种高性能二氧化钛微球阵列负载铂的可见光光催化剂。

发明内容

本发明的目的是提供一种高性能二氧化钛微球阵列负载铂的光催化剂及制备方法，使负载铂的二氧化钛微球阵列光催化剂具有优异的可见光催化性能。

本发明所述的高性能二氧化钛微球阵列负载铂可见光光催化剂按下述步骤制备：

（1）利用Stobe法合成单分散二氧化硅球：将去离子水、13mol/L的氨水和无水乙醇混合，去离子水：13mol/L的氨水：无水乙醇比例为（2～6）ml:（7～10）ml:40ml，再加入已混合均匀的正硅酸乙酯与乙醇混合物，正硅酸乙酯：乙醇的比例为（2～5）g：50ml，于15～20℃搅拌18～24h，反应结束后，用乙醇和去离子水多次清洗，得到200～500nm的单分散二氧化硅微球；

（2）将步骤（1）得到的二氧化硅微球沉降自组装，750℃下煅烧，将其浸泡在引发剂用量与聚合物单体的质量比控制在0.5～1.5:100的混合溶液中，40～70℃下聚合，然后去除多余的聚合物，用2～10wt%HF溶液去除二氧化硅模板，得到聚合物反模板；

（3）二氧化钛前驱液的配制：将钛酸异丙酯逐滴加入到盐酸溶液中，搅拌0.5～1h，再加入乙醇溶液，继续搅拌1～10h，得到钛溶胶，其中钛酸异丙酯：盐酸溶液：乙醇为（2～3）g：（2～2.5）g：（4～16）ml；

（4）将步骤（2）得到的聚合物模板浸泡在步骤（3）的钛溶胶中2～8h，然后取出陈化1～3d，在350～450℃下煅烧3-6h去除聚合物，得到锐钛矿有序排列的二氧化钛微球；